木材科學與工程專業(yè)畢業(yè)論文范文
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摘要: 在刨花板的制作過程中,熱壓時的芯層溫度直接影響著膠的固化,而蒸汽壓決定著板子的卸壓。所以，它們與刨花板的質量有著十分密切的聯(lián)系。為了生產(chǎn)出更好的刨花板，本文通過在制造刨花板時控制不同的熱壓溫度和板子密度，研究了它們與芯層溫度和蒸汽壓的關系。結果表明：在其他條件不變的情況下，熱壓溫度越高，板子的芯層溫度和蒸汽壓上升得越快;板子密度越大,芯層蒸汽壓就大。達到最高點后，芯層溫度略有下降，其溫度仍超過100℃;而芯層蒸汽壓則明顯下降。因此，適當提高熱壓溫度，不但能制造出性能優(yōu)良的刨花板還能提高生產(chǎn)率，創(chuàng)造出更多的價值。
關鍵詞: 刨花板;熱壓溫度;板子密度;芯層溫度;蒸汽壓
Abstract: During the manufacturing of particleboard, the core temperature directly affects the adhesive curing, while the steam pressure decides the uploading of board. Thus, they both have an intimate relation with quality of board. In order to product better particleboard, this paper researches on relation with different hot-press temperature and board density to the core temperature and steam pressure. The results are as follows: in the same condition, the higher hot-pressing temperature was, the faster the temperature and steam pressure of the core were，and the higher the board density was, the higher the steam pressure of the core was. When reaching the culmination point, the core temperature decreased a little , but also exceeded 100℃，and the steam pressure of the core decreased obviously. So,
promoting hot-press temperature properly contribution to not only manufacturing good characteristic particleboard, but creating more value.
Key words: particleboard、hot-press temperature、board density、core temperature、stream pressure
1. 引 言
1. 1問題的提出
目前，國內家具及室內裝修除用實木和膠合板外，大量使用刨花板和中密度纖維板，如板式家具主要使用刨花板和中密度纖維板。為了滿足新的需求，刨花板已越來越多地用于建筑、家具、車輛及船舶制造，但在使用中尚存在一些問題。首先是板太重,普通膠合板和鋸材密度一級為0.5~0.6g/cm3，而普通刨花板為達到一定強度一般密度為0.7~0.8g/cm3，尺寸穩(wěn)定性差,釘鋸困難。[1]由于刨花板和中密度纖維板密度大，用刨花板和中密度纖維板制作的家具搬運困難;另外，由于抗蠕變性差，經(jīng)一段時間使用后，家具變形嚴重，尤其是受力部件。而輕質高強木質復合板是以不同形式的木材為原料根據(jù)受力是應力分散規(guī)律，用膠粘劑復合而成的人造板板材。與刨花板、中密度纖維板相比，它的主要特點表現(xiàn)為重量輕、強度大、抗蠕變性能好。它的密度及性能與同密度的高檔細木工板很相似，是家具制造和室內裝修的理想材料。為此強度適宜、尺寸穩(wěn)定性好的輕質刨花板將有著廣泛的應用前景。
研究板子芯層溫度的目的與意義在于確定板坯是否完全固化，做到使每塊板都能達到良好的固化程度，同時也能估算出刨花板的固化時間。當芯層溫度越高時，刨花板的固化時間就越短，但也不能太高，因此有必要對芯層溫度進行一番研究。研究板子芯層蒸汽壓的目的與意義在于確定板坯什么時候卸壓最合理，當板子芯層蒸汽壓沒有達到所需的壓力時而直接卸壓的話會導致刨花板結構松散和刨花脫落等影響刨花板結構硬度的現(xiàn)象;而當板子芯層蒸汽壓遠超出所需的壓力時卻還沒馬上卸壓的話，那么不僅會大大消耗能耗，嚴重時還會使板子結成很硬的板塊，因此也有必要對芯層蒸汽壓進行一番研究。[2]
1. 2國內外研究現(xiàn)狀
我國刨花板國家標準規(guī)定的產(chǎn)品密度為0.5~0.85g/cm3。而國內實際生產(chǎn)銷售的產(chǎn)品密度一般為0.7~0.8g/cm3。此密度范圍的刨花板不僅搬運加工困難，而且尺寸穩(wěn)定性較差。為了滿足一定的使用要求,逐步穩(wěn)定和擴大刨花扳的應用范圍，近年來，國外一些先進工業(yè)國致力于低密度輕質刨花扳的研制開發(fā)。日本有關單位研制開發(fā)出以柳桉材和異氰酸酯為主要原料的輕質刨花板。與我國刨花板工業(yè)目前普遍使用的脲醛膠等相比，異氰酸酯膠粘劑具有膠結力強、耐水性好、無游離甲醛污染等優(yōu)點，但由于其價格過高，加之固化前毒性較大，生產(chǎn)作業(yè)復雜，因而目前在我國尚無條件用于企業(yè)化生產(chǎn)。采用異氰酸酯以外的氨基樹脂等膠粘劑能否制造出密度小、穩(wěn)定性好、力學性能又可滿足一般使用要求的輕質刨花板。經(jīng)過初步試驗和有關專家論證，“輕質刨花板制造工藝技術的研究”1990年列入黑龍江省科委計劃。1992年11月完成了以楊樹材和改性脲醛膠為主要原料的輕質刨花板的研究工作，實現(xiàn)了本課題組“降低密度、保證力學強度”的基本設想。[3]在國內，王明光、石淑杰和包梅殘等對熱壓溫度和熱壓時間進行了研究，得出的結論是：力學強度基本呈示在高溫區(qū)隨熱壓時間延長而降低，在低溫區(qū)隨熱壓時間延長而提高的趨勢。吸水厚度膨脹率在高低溫區(qū)均呈隨熱壓時間延長而下降的趨勢。最佳效果為熱壓溫度185ºC，熱壓時間8min。適當提高熱壓溫度，15mm厚的制品，熱壓時間縮短5min，也可以制造出性能優(yōu)良的輕質刨花板。[4]
2. 材料與設備
2. 1 材料的準備
材料的準備包括膠的選用以及刨花制備等方面。在膠方面,我們采用工業(yè)上普遍使用的'脲醛膠，在刨花的制備上，我們以杉木為原料，具體工藝如下：
2. 1. 1 原木的挑選
作為實驗材料，刨花應具有相同或相近的性能，所以需采用單一樹種作為制造刨花的原料，而考慮到杉木具有密度較低但強度不低和價格低廉的特點，我們決定選用杉木。為了使在制造刨花時，刨花不易碎裂，原木含水率控制在40~60%，同時尖削度盡量小以減少浪費。
2. 1. 2 刨花的制備
薄而長的刨花，表面積較大，在施膠量相同的情況下，平均單位表面積上的膠量就較少。但是，由于薄而狹長的刨花本身的抗彎強度較高，可塑性又較好，加壓時刨花之間有良好的接觸，因此，由它制成的刨花板有較高的靜曲強度、尺寸穩(wěn)定性和平整的表面。但是，如果刨花過長，施膠就不易均勻，反而會使板的強度降低，同時，過長的刨花在鋪裝時容易"架橋"，以使刨花在整個板面上分布不均勻，降低板的質量。刨花太細對制造優(yōu)質刨花板也是不利的，它會吸收較多的樹脂，還會影響刨花板的機械性能;刨花太粗則更會影響其質量。同時不規(guī)整的刨花其成板的質量也會變差。
因此，使用適中大小的規(guī)整刨花是最合適的。我們采用長100mm，厚0.7mm，寬5-25mm的呈片狀的定向刨花，以保證板的性能達到要求。其獲得方法是：在對原木進行截斷和去皮之后，通過壓刨機先刨出一個基準面，在用圓鋸機截出長度上符合要求(10cm)的木塊，然后把木塊橫向膠在寬20cm、長度和厚度適中的基板上。再通過壓刨機壓刨出所需的厚度(0.7mm)，最后把薄的大片刨花剪切成所需的寬度(5-25mm)，這樣呈片狀的定向刨花就出來了。
2. 1. 3 刨花干燥
刨花的含水率會影響刨花板的強度、表面質量、甲醛的分離和所需的單位壓力。剛制成的刨花含有較多的水分，經(jīng)過拌膠后將使刨花含水率增加到過高的程度。這樣會給以后熱壓帶來一定的困難。用過濕的刨花壓制刨花板，降壓時很容易發(fā)生鼓泡和分層等缺陷。且熱壓時為了蒸發(fā)刨花中過多的水分要消耗較多的熱量，同時，也會延長熱壓周期而降低熱壓機的生產(chǎn)率，所以，濕刨花在拌膠前必須進行干燥，使含水率降低到一定的要求。
再從提高產(chǎn)品質量看，刨花如不經(jīng)干燥，它的含水率也往往不一致，熱壓時蒸發(fā)水分不均勻，制成的刨花板內部產(chǎn)生應力不均勻，容易翹曲變形，降低產(chǎn)品質量。當刨花干燥到一定的含水率，內應力就可大大減少，這樣能提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性。當然，干燥后含水率也不應過低，否則刨花容易吸收膠料，使刨花表面含膠量減少，這樣，不僅浪費膠料，而且降低膠合強度。同時，刨花過干，它的塑性較差，壓縮比較困難，刨花板內部容易形成空隙，降低板的強度。因此，我們通過自然干燥將刨花干燥到含水率為11%。
2. 1. 4 膠的選用
脲醛樹脂膠(UF)具有膠高的膠合強度，較好的耐溫、耐水、耐腐蝕性能，而且色澤淺、成本低廉，因此選擇固含量為50%的脲醛樹脂膠作為我們的實驗材料。為了提高其在熱壓時的固化速度和固化程度，我們在膠中加入少許的氯化銨(NH4CL)作為固化劑。
2. 2 設備準備
在實驗中，主要用到的設備和儀器如下：
(1)木工推臺鋸：MJW134型
(2)雙桶布袋吸塵機：MF9030型，參考風速為30-40m/s
(3)壓力成型機：型號為XLB-D450*450,工作液壓力20.0Mp,總壓力1000kN
(4)壓刨機：日本廠，最小切削厚度為4mm,寬度<150mm時，最大切削量為3mm;寬度為300mm時，最大切削量為1mm
(5)電熱鼓風干燥箱：101-1型，控溫靈敏度為±1℃，最高溫度200℃
(6)電子分析天平：TC-10K型
(7)拌膠設備：由直聯(lián)式空氣壓縮機、電磁調速電機控制裝置、輥筒和噴槍組成
(8)單層熱壓機：型號為QD,上海人造板廠制造
(9)熱壓儀器：主要是400*400mm的鐵框和16mm的厚度規(guī)
(10)二線制壓力變送器：YYB-G型，量程為0-0.6Mpa,頂部是直徑為3.8mm、約30cm長的中空高阻抗箔式針管，在距離頂端5cm處有一個直徑為2mm的小圓孔。
(11)數(shù)顯溫度儀：型號為XMZ-102,量程為250 ℃
(12)蒸汽壓力顯示儀：XMZ-105型，量程為0.6MPa
2. 2. 1 儀器試制
圖1.測試芯層溫度和蒸汽壓元件示意圖
在目前的實驗室內無現(xiàn)成的儀器能夠測量刨花板芯層溫度和蒸汽壓,我們根據(jù)二線制壓力變送器和數(shù)顯溫度儀的功能,制造出如圖1所示的測試儀器。其中1為溫度和汽壓探頭,2為壓力變送器,3為數(shù)顯溫度儀和蒸汽壓力顯示儀。
2. 2. 2測試原理
蒸汽壓測量原理：蒸汽壓通過傳感元件1將蒸汽壓轉換成電壓信號，再經(jīng)過IC放大電路輸出一個4～20mA的電流信號，由蒸汽壓力顯示儀顯示其蒸汽壓。
溫度測量原理：溫度探頭2是直徑為3.8mm的空心針，其中有感溫元件，溫度探頭把所測得的溫度量轉換成電阻信號，再經(jīng)橋路部分對電阻信號轉換成電壓信號，最后由數(shù)顯溫度儀處理后顯示其溫度值。
3. 實驗設計
3. 1 材料計算
在決定刨花用量和膠用量之前，我們測得刨花含水率 為11%，取施膠量P為10%，刨花板規(guī)格為400×400×16mm。由于膠在拌膠筒上的損失較多，根據(jù)反復幾次的試驗，我們確定膠的損失為理論施膠量的10%，即 =10%，以下的計算都以此為準。
3. 1. 1 刨花的計算
(3·1)
其中, 為所需干刨花的量(單位：kg)， 為刨花板密度(單位：g/cm3)，V為刨花板體積，即長×寬×厚(單位：mm3)，P為施膠量， 為刨花含水率。
G= ×(1+ )其中G為濕刨花量，即壓制一塊刨花板所需含水率為 的刨花量。
�、碑斉倩ò迕芏� =0.5g/m3時， =1048g
所以濕刨花量G=1048×(1+11%)=1163g
�、伯斉倩芏� =0.55g/m3時， =1153g
所以濕刨花量G=1153×(1+11%)=1280g
⒊當刨花板密度 =0.6g/m3時， =1258g
所以濕刨花量G=1258×(1+11%)=1396g
3. 1. 2 膠的計算
在此次實驗中，刨花板內外層施膠量相同。
所以理論施膠量Y= (3·2)
其中 為干刨花的量(單位：g)，P為施膠量，K取50%。
總的施膠量Y總=Y×(1+ ) (3·3)
其中Y為理論施膠量， 為膠的損失率。
1.當刨花板密度 =0.5g/m3時，理論施膠量Y= = =210g
所以總的施膠量Y總=210×(1+10%)=231g
2.當刨花板密度 =0.55g/m3時，理論施膠量Y= = =231g
所以總的施膠量Y總=231×(1+10%)=254g
3.當刨花板密度 =0.6g/m3時，理論施膠量Y= = =252g
所以總的施膠量Y總=252×(1+10%)=277g
3. 1. 3固化劑的計算
所需固化劑Q= Y總×K×0.5% (3·4)
其中，Y總為總的施膠量，K為膠的固含量，取50%。
�、碑斉倩ò迕芏� =0.5g/m3時，固化劑的量為：Y總×K×0.5%=0.578g
�、碑斉倩ò迕芏� =0.55g/m3時，固化劑的量為：Y總×K×0.5%=0.635g
�、碑斉倩ò迕芏� =0.6g/m3時，固化劑的量為：Y總×K×0.5%=0.693g
3. 2 具體試驗
3. 2. 1施膠與預壓
由于拌膠筒的容量較小，為了使得樹脂能徹底、均勻地分布在刨片的表面，提高刨花板的質量，我們將稱量好的刨花分兩次施膠。過程如下：將稱量好的一半刨花放入拌膠筒，把在電子天平上稱量好的一半的脲醛膠加入固化劑攪勻后放入噴槍。然后打開電磁調速電機控制裝置，調整好輥筒速度，用連接著空氣壓縮機的噴槍對著拌膠筒噴膠口均勻噴射。
待施膠完畢后，將刨花均勻地灑落在一個幅面為400*400mm的鐵框內。用平整的木板預壓,待板坯基本成型后準備放入熱壓機。
3. 2. 2表壓計算及熱壓
(3·5)
其中， 為表壓力;P為板坯的壓力，取2.5Mp;A為板坯的面積;d為熱壓機油缸直徑，取230mm;m為熱壓機油缸數(shù)目，取1;K為壓力損失系數(shù)(0.9～0.92)，取0.9。
所以表壓力 =10.5MPa
熱壓前，先將熱壓機的表壓力調為10.5MPa并加熱至所需的溫度(160℃，180℃，200℃),把熱壓機的時間繼電器調為6分鐘。然后把預壓好的板坯放入熱壓機，在兩邊放上厚度規(guī)中間插入測試儀器，開始加壓。在熱壓板上升時，板坯的厚度越來越小，待壓力達到預先設好的壓力(即.10.5Mpa)后，時間繼電器開始運行，并開始記錄數(shù)據(jù)。根據(jù)時間繼電器每隔30s記錄一組數(shù)據(jù)。在這種溫度和壓力下熱壓半分鐘后，把壓力卸到5Mp左右，因為這個時候大部分的壓力都作用在厚度規(guī)上，減少壓力對板坯厚度的影響不是很大。[9]當熱壓時間達到6分鐘后，數(shù)據(jù)記錄完成，取出刨花板，進行下一塊板的熱壓。改變熱壓溫度、板子密度，循環(huán)進行實驗，直至實驗結束。
4. 結果與分析
刨花的大小形狀及含水率對本次實驗的結論有很大的影響。熱壓前板坯中的含水率主要來自三個方面：首先，物料在干燥后，按造工藝的要求，并不是絕干的，在物料中仍保持一定數(shù)量的水分。其次，拌膠時加入的液狀膠粘劑是板坯中水分的第二個來源。板坯中水分的第三個來源是來自樹脂膠固化時的縮聚反應。
現(xiàn)象表明：熱壓板閉合時，板坯表面立即與熱壓板接觸，板坯表面溫度很快上升。熱壓開始時板坯內是室溫，隨著熱壓時間延長，蒸汽很快向中心移動，芯層溫度上升，板坯表層與芯層的溫度梯度逐漸減少，促使樹脂很快固化。一旦板芯達到100℃時，脲醛樹脂膠在30s內就能固化。全部用片狀刨花做成的刨花板，水分移動困難。芯層到達沸點后，水蒸氣不容易出來，蒸汽增加，壓力也增加，使水的沸點提高。蒸汽壓力繼續(xù)增高，直至蒸汽壓力足夠水分汽化，蒸發(fā)后使水分減少。蒸汽壓力降低的結果，溫度降到近于100℃，直到恒溫階段結束，溫度又重新上升。[9]
4. 1 熱壓溫度與芯層溫度
當板子的密度為0.55 g/cm3時，改變熱壓溫度后熱壓6min[10]所測的數(shù)據(jù)如表4·1所示：
根據(jù)圖4·1,我們可以很明顯的看出:在板子密度一定的情況下，熱壓溫度越高,熱量向芯層傳遞的越快,板子的芯層溫度上升也就越快。當加熱溫度從160℃升為200℃時，芯層溫度到達100℃的時間從2min降為1min，并且芯層溫度達到最高值的時間減短。當芯層溫度達到最高值后，板子的芯層溫度雖然略有下降但基本保持在一百多度。
4. 2 熱壓溫度與蒸汽壓
當板子的密度為0.55 g/cm3時，改變熱壓溫度后熱壓6min所測的數(shù)據(jù)如表4·2所示：
圖4·2 同一密度不同熱壓溫度在6min內所測的芯層蒸汽壓
根據(jù)圖4·2，我們可以很明顯的看出：在板子密度一定的情況下，熱壓溫度越高，蒸汽壓就越高且上升的越快。板子芯層蒸汽壓達到最高點所花熱壓時間最少的是200℃，其次是180℃，最后是160℃，所以熱壓溫度越高，板子芯層蒸汽壓達到最高點的時間最少。而過了最高點的蒸汽壓后，三種熱壓溫度下的芯層蒸汽壓都在明顯下降,這是由于板中的水分越來越少的緣故。
4. 3 板子密度與芯層溫度
當板子在同一的熱壓溫度下(溫度為180℃)[10]，改變板子密度后熱壓6min所測的數(shù)據(jù)如下表4·3所示：
表4·3同一熱壓溫度不同密度在6min內所測的芯層溫度
圖4·3同一熱壓溫度不同密度在6min內所測的芯層溫度
根據(jù)圖4·3可以很明顯的看出：在熱壓溫度一定的情況下，刨花板的密度直接影響著時間溫度曲線,密度大的刨花板由于壓得結實，蒸汽移動困難，開始溫度上升得很慢，但在整個熱壓過程中不斷地繼續(xù)上升;而密度低的板坯由于較松散，蒸汽較容易逸出，芯層溫度上升迅速，很快能接近水的沸點。因而板子的密度越低，芯層的溫度上升越快,但最高點的溫度卻越低，過了芯層溫度的最高點后，水分開始蒸發(fā)和繼續(xù)蒸發(fā)，芯層溫度雖然略有下降，但仍超過100℃。
4. 4 板子密度與蒸汽壓
當板子在同一的熱壓溫度下(溫度為180℃)，改變板子密度后熱壓6min所測的數(shù)據(jù)如下表4·4所示：
圖4·4 同一熱壓溫度不同密度在6min內所測的芯層蒸汽壓
根據(jù)圖4·4可以很明顯的看出：在熱壓溫度一定的情況下，刨花板的密度直接影響著時間溫度曲線。當板子密度從0.5g/m3上升為0.6g/m3 時，板子芯層的蒸汽壓最高值也隨之提高。這是由于當板的密度提高時，刨花之間的間距變小，蒸汽難以逃逸，蒸汽壓也隨之增高。反之，當板的密度降低時，板子較松散，蒸汽逃逸較容易，所以蒸汽壓也比較低。而當過了最高點的蒸汽壓后，三種熱壓溫度下的芯層蒸汽壓都明顯下降,這是由于板中的水分變得越來越少的緣故。
5. 結論
根據(jù)實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析，得出結論如下：熱壓溫度越高，板子的芯層溫度和芯層蒸汽壓上升得越快，并且芯層蒸汽壓達到最高值所需的時間也越少;板子密度越大，芯層蒸汽壓隨之增大，而芯層溫度隨著板子密度的增大反而上升的越慢，但最高值越大。達到最高點后，芯層溫度雖然略有下降，其溫度仍超過100℃;而芯層蒸汽壓則明顯下降。
參考文獻:
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